雷达站供电系统是VTS系统的重要子系统,其负载是由动力负载和开关电源设备负载组成的混合负载。其中,动力负载为雷达天线电动机,开关电源负载包含雷达、微波和甚高频收发机,以及雷达信号处理器、AIS(船舶自动识别系统)等开关电源设备。

　　为了保障雷达站设备可用率要求(≤5年使用年限的VTS系统设备,一级可用率要求≥99.9%),雷达站往往由UPS(不间断电源)、柴油发电机及市电联合组成多路供电保障系统。

　　由于雷达站往往建在沿海高海拔地区,为应对市电供应的不稳定性,UPS和发电机便成为VTS雷达站供电系统的重要组成部分。长期以来,在雷达站电源的系统设计和设备选型上,都不同程度地存在侧重可靠性,而忽略节能性的现象。

　　1 经典高耗能供电系统案例分析

　　由于雷达站电源拓扑形式多种多样,从经典案例说起,说明现有雷达站供电系统普遍存在能源利用率方面的问题和不足。

　　某雷达站采用供电系统拓扑如图1所示。

　　该站配置如下:

　　UPS型号:法国梅兰日兰银河3000系列三进三出10kVA UPS,负载功率因数为0.8;

　　发电机型号:英国Wilson 14kVA(11.2kW) 三相发电机;

　　负载类型:三相雷达电动机及单相开关电源设备。

　　1.1 节能性分析(测试仪器为Fluke 345钳表)

　　(1) UPS实测稳态负载功率(见表1)

　　(2) UPS实测负载率与效率(见表2)

　　1.2 测试结果及分析

　　(1) UPS功率选择为10kVA,但整体效率极低:负载率14%时,整机效率仅为57%,与UPS说明书宣称的90%以上满载效率相差甚远。

　　(2) 该站UPS虽然指标上的输入功率因数达到0.99,但实际输入谐波特性不佳,该雷达站发电机代替市电供电后,UPS经常出现“逆变器内部故障”告警,发电机无法向UPS正常供电。该站工程师准备采用某厂家推荐的2.0～3.5倍于UPS额定输出功率的大功率发电机(即20kVA以上的发电机)以降低UPS输入谐波的影响,实现匹配。但却造成容量浪费,系统综合造价高昂。

　　有的雷达站为避免图1在由于UPS没有冗余而存在的可靠性不足,设计了图2的冗余UPS统一供电的供电系统,但由于对UPS节能性要求缺乏考虑,所设计的系统较无冗余统一供电的供电系统,不仅一次性采购成本高,而且由于能耗成本增长,长期运行成本更高。

　　2 高耗能雷达站电源系统的成因分析

　　雷达站的高耗能长期存在是多方面的:

　　很多VTS工程师对雷达站负载及供电系统的节能设计缺乏深入研究;不了解混合负载特性,习惯照搬传统经验或听信厂家的推荐,容易落入电源供货商的“行业陷阱”。

　　选择供电系统通常是以设备的常态功率加以经验来考量的。比如,采用3～5倍负载的常态功率作为UPS额定功率,比如雷达站负载常态功率为2kVA,就选用容量为10kVA的UPS。至于发电机,不是在深入了解UPS及发电机特性的基础上进行选型,而是根据经验,采用2.5～3.5倍于UPS额定输出功率的大功率发电机。

　　因此VTS工程师乐于接受UPS或发电机销售人员推销的大功率UPS(接近十倍于负载稳态功率),以保证可靠性,却将UPS的效率、运行成本置之不理。

　　总之,传统雷达站供电系统的可靠性与节能性方面,均存在技术、认识和管理上的问题。以下在技术上加以论述并提供解决办法。

　　(1)对负载特点缺乏科学、深入研究

　　很多VTS工程师将UPS统一为包括雷达电机在内的混合负载提供电能,但是对于混合负载的特性缺乏深入了解和认识,很少深入研究及分析混合负载的特点。

　　有的工程师只是简单地了解加入动力负载后组成的混合负载,开机瞬间的启动冲击电流很大,可能数倍于稳态电流。三相雷达电动机的起动瞬态电流和常态电流之比到底多大?起动过程持续时间到底多长?对这些关键技术的细节缺乏科学测量及分析。

　　(2)利润率与功率成正比

　　通常,电源产品(如UPS、发电机等)的利润率是与产品的额定功率成正比的。销售人员往往尽可能推销大功率、高利润产品，向用户提供或推荐的供电系统设计方案或配置均尽可能按利润最大化来考虑。如能用大功率不用小功率产品，UPS的额定功率按3～5倍于负载功率配置;发电机功率按 2.5～3.5倍于UPS额定功率配置。不少供电系统供货商甚至将上述经验形成技术文档，使供电系统间的匹配简单化、教条化,向买家施加“技术影响”。

　　至于长期的运行成本,产品提供商只是负责产品质量的有限售后服务,产品的能源消耗则由用户买单。只要产品足够可靠,VTS工程师便乐于接受销售人员推销的大功率UPS或发电机。

　　(3)运行成本无需考核

　　一些单位没有对系统或设备的运行成本进行考量,没有鼓励节能创新。为了确保维护经费不减,使用单位往往对雷达站供电系统的节能措施积极性不大。

　　3 节能型雷达站供电系统的设计方法

　　要克服前述雷达站供电系统的不足,就要在设计时既考虑高可靠性,也要考虑节能性,寻求电源系统的最佳设计和选型。

　　3.1 设计选型的目标

　　(1) 雷达站设计上要求24h不间断运行,将雷达电动机纳入UPS统一供电。

　　(2) UPS稳态效率≥80%,且能应对雷达大电动机的瞬态起动。

　　(3) 发电机与UPS额定功率之比应尽可能低,如1.0～2.0。

　　(4) 可根据可靠性及预算条件,设计和购置冗余型UPS。

　　3.2 负载分析

　　雷达电动机纳入UPS供电后,与其他开关电源设备组成了感性和容性的混合负载。由于动力负载对电源的需求特性与普通开关负载显著不同,需要对雷达电动机等负载进行测试,以获得瞬态和稳态特性,进而支持UPS选型。

　　(1)雷达电动机

　　雷达电动机分为三相和单相,但国内大多数为三相电动机。其稳态功耗测试曲线如图3所示,瞬态功耗测试曲线如图4所示。

　　可见,雷达站负载稳态功耗较低,而瞬态功耗较高(达到稳态的7倍),起动时间长达1s。

　　(2)其他开关电源设备

　　其他开关电源设备同样存在瞬态启动功耗现象,但相对雷达电机动动力负载而言,不至于影响到UPS的选型,理由是:

　　①这些开关电源设备与雷达天线电动机一样,均配置可独立供电开关，实际加电时，均为逐一间隔数秒起动:雷达电动机→雷达收发机→其他开关电源设备，不会同时对UPS造成瞬态起动的叠加冲击。

　　②开关电源设备属于弱感性负载,设备额定功耗较低(实测表明,微波收发机为出雷达电动机之外的最大稳态功耗设备为273VA,仅为雷达电动机814VA的1/3),在雷达电动机经起动进入稳态运行后,UPS通常仍具备足够大的瞬态过载能力应对后续各开关电源的逐一启动。对UPS的瞬态要求也远低于雷达电动机。

　　因此,根据上述雷达站负载特点,只需要重点考虑最大冲击负载——雷达电动机对UPS的启动影响即可。（游米儿）